Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
28
явление которых возможно прежде всего при гетеровалентном легировании. Компенсация избыточных зарядов электронами, дырками или зарядами точечных дефектов ослабляет их влияние, но не устраняет его полностью, так как возникающие при компенсации нейтральные образования чаще всего имеют структуру диполей и продолжают оказывать влияние на кристаллическое поле матрицы. Это влияние может быть особенно сильным, если в процессе компенсации зарядов образуются комплексы с участием ионов-активаторов, что приводит к изменениям симметрии кристаллического поля вблизи иона-активатора.
2. Естественным является требование прозрачности кристаллической матрицы в области длин волн накачки и излучения лазера. В противном случае к.п.д. лазера будет снижен из-за поглощения полезного излучения самой кристаллической матрицей. Однако даже в абсолютно прозрачной кристаллической матрице часть энергии накачки передается фононному спектру кристалла из-за безызлуча-тельных переходов уровней возбуждения активатора. В мощных непрерывных или импульсно-периодических лазерах часть энергии, переходящая в тепло, настолько велика, что приходится прибегать к искусственному охлаждению кристаллического элемента. Энергия накачки и генерации локализована в основном в центральной части лазерного элемента, а охлаждение происходит по периферии. Это приводит к появлению градиента температуры и термическим напряжениям, а следовательно, к целому ряду нежелательных эффектов от появления «тепловой линзы» до растрескивания кристаллического элемента. Для уменьшения градиента температур кристалл должен обладать высокой теплопроводностью.
3. Высокая механическая прочность кристалла снижает вероятность его растрескивания под действием механических напряжений, которые могут возникать не только из-за термической неоднородности, но и из-за чисто механических причин при установке лазерного элемента в квантрон. Механические свойства (твердость) кристалла важны и при механической обработке. Известно, что при твердом материале легче обеспечить высокий класс механической обработки.
4. Лазерный кристалл в квантроне конструкционно сопрягается с другими материалами. При таком сопряжении в условиях меняющейся температуры следует учитывать коэффициенты термического расширения и лазерных, и конструкционных материалов.
5. Последним по порядку, но не по важности является требование достаточной технологичности кристалла. В термин «технологичность» входит очень широкий круг свойств и особенностей, позволяющих получать кристалл с требуемыми качествами и приемлемыми экономическими характеристиками при современном уровне технологии.
29
Возможность практического применения кристалла определяется сочетанием вышеназванных свойств. Для того или иного специального применения приходится отступать от некоторых требований. Например, щелочно-галоидные кристаллы обладают весьма низкими механическими характеристиками, но уникальные свойства их центров окраски делают их перспективными для создания лазеров с перестраиваемой частотой и фотохромных модуляторов света.
Генерация света получена на многих десятках кристаллических матриц, но практическое применение кристалла обеспечивается только благоприятным сочетанием его свойств. Именно благодаря уникальному сочетанию свойств нашли широкое применение лазеры, использующие в качестве рабочего тела оксиды алюминия и иттрия. Система AI2O3 - Y2O3 дала важнейшие кристаллические матрицы, составляющие основу промышленного производства твердотельных лазеров.
Глава 2 КРИСТАЛЛЫ-ОКСИДЫ
2.1. КРИСТАЛЛЫ СОЕДИНЕНИЙ,
ВЫРАЩИВАЕМЫЕ В СИСТЕМЕ У2Оз - АЬОз
2.1.1. Соединения АЬОз, Y3AI5O15, УАЮз
Оксид алюминия и соединения, образуемые оксидом алюминия и оксидом иттрия, позволяют получать кристаллические матрицы лазеров, составляющих основу современной твердотельной квантовой электроники. Интересно отметить, что впервые лазерное излучение было получено с помощью кристалла - рубина [АЬОз: Сг3+]. Он оказался родоначальником семейства кристаллов, которые до сих пор остаются важнейшими кристаллическими лазерными матрицами, несмотря на то, что генерация света получена уже на сотнях кристаллов.
Рубин - один из первых кристаллов, для которого удалось наладить промышленное производство. Впервые мельчайшие кристаллы рубина были получены в 1837 г. Годеном в результате прокаливания смеси сульфида калия с глиноземом в покрытом сажей тигле. В 1857 г. Сенармон получил мелкие ромбоэдры рубина, нагревая в запаянной трубке до температур, больших чем 350 °С, раствор хлористого алюминия. Работы по получению рубина вели Эбельман (1848 г.), сплавляя глинозем с борной кислотой и оксидом хрома, Ферми и Файль (1877 г.), сплавляя оксиды алюминия, хрома и свинца. Получаемые такими способами кристаллики уже можно было использовать для изготовления часовых камней. Перспективный ме-
30
тод получения крупных монокристаллов рубина предложен в 1892 г. Вернейлем [1, 2]. Метод Вернейля, разработка которого была закончена к 1902 г., позволял получать не только достаточно крупные, но и разноцветные кристаллы. Например, добавление к порошку АЬОз оксида хрома [1...7 % (мол.)] дает красную окраску, оксидов титана и железа [2 % (мол.)] - синюю, оксидов ванадия и кобальта - зеленую. Добавка одного оксида ванадия давала окраску, похожую на окраску александрита.
